JP4737253B2 - 非接触受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触受信装置、共振回路及び可変容量素子に関し、より具体的には、リーダライターから電波を受信する非接触ＩＣカード等に適用して好適な非接触受信装置、共振回路及び可変容量素子に関する。

従来、外部からバイアス信号を印加することにより、容量を変化させて周波数や時間などを制御する可変容量素子が活用されている。そのような可変容量素子としては、例えば、可変容量ダイオード（バリキャップ）やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などが商品化されている。

図１１（ａ）及び（ｂ）に、可変容量素子の回路構成及び特性例を示す。図１１（ａ）は、可変容量素子１６０周辺の回路構成図であり、図１１（ｂ）は、可変容量素子１６０の容量Ｃｖの制御電圧依存性を示している。通常、可変容量素子１６０は２端子であり、その容量を制御する制御用バイアス信号を加えるための専用端子を持たない。それゆえ、実際の回路上では、図１１（ａ）に示すように可変容量素子１６０を４端子化する。具体的には、可変容量素子１６０（可変容量コンデンサ）の一方の端子を、バイアス除去用コンデンサ１６１を介して交流信号の一方の入出力端子に接続するとともに、電流制限抵抗１６２を介して制御電圧の入力端子に接続する。また、可変容量素子１６０の他方の端子を、交流信号の他方の入出力端子に接続するとともに、制御電圧の出力端子に接続する。

このような可変容量素子１６０の回路構成では、信号電流（交流信号）は、バイアス除去用コンデンサ１６１及び可変容量コンデンサ１６０を流れ、制御電流（直流バイアス電流）は、電流制限抵抗１６２を介して可変容量コンデンサ１６０のみを流れる。この際、制御電圧を変化させることにより、図１１（ｂ）に示すように、可変容量コンデンサ１６０の容量Ｃｖが変化し、その結果、信号電流も変化する。

そして、従来、上述のような可変容量素子を、非接触ＩＣカードにおける保護回路として利用する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、非接触ＩＣカードをそのリーダライター（以下、Ｒ／Ｗと記す）に近づけた際に、過大な受信信号により耐電圧性の低い半導体素子からなる制御回路が破壊されないようにするために、保護回路として可変容量素子を用いている。

図１２に、特許文献１で提案されている非接触ＩＣカードのブロック構成図を示す。特許文献１では、可変容量素子として可変容量ダイオード１０３ｄを用いている。そして、バイアス除去用コンデンサ１０３ｃ及び可変容量ダイオード１０３ｄの直列回路をコイル１０３ａ及びコンデンサ１０３ｂからなる共振回路に並列に接続している。

特許文献１では、受信信号を検波回路１１３で検波して得た直流電圧Ｖｏｕｔを抵抗１１４ａ及び１１４ｂで抵抗分割する。そして、抵抗分割された直流電圧（抵抗１１４ｂに掛かる直流電圧）をその変動を除去するためのコイル１１５を介して可変容量ダイオード１０３ｄに印加して、可変容量ダイオード１０３ｄの容量を調整する。すなわち、抵抗分割された直流電圧を可変容量ダイオード１０３ｄの制御電圧としている。

特許文献１では、受信信号が過大な場合は、制御電圧により可変容量ダイオード１０３ｄの容量が小さくなり、これにより受信アンテナ１０３の共振周波数が高くなる。この様子を示したのが図１３である。図１３の特性の横軸は周波数であり、縦軸は信号のレスポンスである。受信信号が過大な場合、可変容量ダイオード１０３ｄの容量が小さくなり（すなわち、受信アンテナ１０３合成容量が小さくなり）、その容量低下分に対応した周波数Δｆだけ、受信アンテナ１０３の共振周波数が高域にシフトする（図１３中の破線の特性）。この結果、周波数ｆ_０における受信信号のレスポンスは容量低下前より低くなり、受信信号のレベルを抑制することができる。特許文献１で提案されている技術では、このようにして可変容量素子により制御回路１２０を保護している。

また、本発明者らは、従来、可変容量素子として強誘電体材料を用いた素子を提案している（例えば、特許文献２参照）。特許文献２では、信頼性及び生産性の向上を図るために、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すような電極構造を有する可変容量素子２００を提案している。図１４（ａ）は、可変容量素子２００の概略斜視図であり、図１４（ｂ）は、可変容量素子２００の断面構成図である。特許文献２の可変容量素子２００は、立方形状の誘電体層２０４の４つの面に、それぞれ端子が設けられている。４つの端子のうち、一方の対向する２つの端子が信号電源２０３に接続される信号端子２０３ａ及び２０３ｂであり、他方の対向する２つの端子が制御電源２０２に接続される制御端子２０２ａ及び２０２ｂである。

可変容量素子２００の内部は、図１４（ｂ）に示すように、複数の制御電極２０２ｃ〜２０２ｇ及び複数の信号電極２０３ｃ〜２０３ｆが、強誘電体層２０４を介して交互に積層された構造になっている。図１４（ｂ）の例では、一番下層の制御電極２０２ｇ、下から５番目の制御電極２０２ｅ及び一番上層の制御電極２０２ｃが一方の制御端子２０２ａに接続されている。また、下から３番目の制御電極２０２ｆ及び７番目の制御電極２０２ｄが他方の制御端子２０２ｂに接続されている。また、下から２番目の信号電極２０３ｆ、及び下から６番目の信号電極２０３ｄが一方の信号端子２０３ａに接続されている。さらに、下から４番目の信号電極２０３ｅ、及び下から８番目の信号電極２０３ｃが他方の信号端子２０３ｂに接続されている。

特許文献２の可変容量素子２００では、制御端子及び信号端子に個別に電圧を印加することができるとともに、内部に信号電極及び制御電極を複数積層させることにより、低コストで容量を増大することができるという利点がある。また、特許文献２のような構造の可変容量素子２００は、製造が容易であり、低コストである。さらに、特許文献２の可変容量素子２００では、図１１（ａ）中のバイアス除去用コンデンサ１６１も不要になる。

特開平０８−７０５９号公報 特開２００７−２８７９９６号公報

上述した非接触ＩＣカードのような非接触受信装置では、非接触受信装置をＲ／Ｗに近づけすぎると、過大な受信電圧が入力され、半導体素子等で構成された集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）が破壊されるという問題がある。この問題を解決するため、特許文献１では、可変容量ダイオードを保護回路として用いている。また、従来、上記問題を解決するために、ＩＣの入力部に半導体素子、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）等からなるスイッチ回路を保護回路として用いているものもある。

しかしながら、保護回路として、特許文献１のように可変容量素子を用いた場合には、制御信号（直流電圧）が共振回路に影響を与えないようにするために直流電流を遮断するためのバイアス除去用コンデンサを可変容量素子に接続する必要があるという問題がある。また、可変容量素子の制御信号を生成するための付加回路が必要であるという問題もある。

さらに、上述のように保護回路として特許文献１の可変容量ダイオードやＦＥＴ等の素子を用いた場合、それらの素子は半導体で形成されるので、素子そのものの耐電圧性も低いという問題がある。

また、特許文献２で提案されている可変容量素子２００は、端子数が４つとなるので、素子のサイズが大きくなり、コストが高くなるという問題がある。また、特許文献２の可変容量素子２００では、図１１や図１２に示した従来例と同様に、制御信号を生成するための周辺回路が必要となるという問題もある。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、構成がより簡易であり、受信電圧に対する耐性に優れた非接触受信装置、共振回路及び可変容量素子を提供することである。

上記問題を解決するために、本発明の非接触受信装置は、受信部と、整流部とを備える構成とし、各部の構成及び機能は次のようにした。受信部は、強誘電体材料で形成され、外部から入力される所定周波数の受信信号の印加により容量が変化し、且つ、該容量の変化量が該受信信号の受信電圧値に応じて変化する可変容量素子を含む共振コンデンサと、該共振コンデンサに接続された共振コイルとからなる共振回路を有する。また、整流部は、受信部から出力される交流電圧を直流電圧に変換する。

なお、本明細書でいう「受信電圧値」及び「交流電圧値」は、例えば、可変容量素子で受信される所定周波数の交流電圧の実効値、最大値、半周期当たりの平均値などのことであり、可変容量素子の設計時に該素子の容量と対応付け可能な電圧値のことである。

上述のように、本発明では、非接触受信装置の受信部に用いる可変容量素子として、外部から受信する所定周波数の交流信号（受信信号）の印加により容量が変化し且つ該容量の変化量が該交流信号の交流電圧値に応じて容量が変化する可変容量素子を用いる。それゆえ、可変容量素子の容量を変化させるための制御信号及びそれを生成するための回路を別途設ける必要がない。また、本発明では、可変容量素子を半導体等に比べて耐電圧性の高い強誘電体材料で形成する。したがって、本発明によれば、構成がより簡易になり、受信電圧に対する耐性も向上する。

以下に、本発明の実施形態に係る非接触受信装置の一例を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態は以下の順で説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
１．非接触受信装置の構成
２．可変容量コンデンサの構成
３．可変容量コンデンサの設計概要
４．具体例
５．変形例

［１．非接触受信装置の構成］
本実施形態では、非接触受信装置として、非接触ＩＣカードを例にとり説明する。図１は、本実施形態の非接触ＩＣカードの受信系（復調系）回路部のブロック構成図である。なお、図１では、説明を簡略するために、信号の送信系（変調系）回路部は省略している。送信系回路部の構成は、従来の非接触ＩＣカード等と同様の構成である。

非接触ＩＣカード１０は、図１に示すように、受信部１（アンテナ）と、整流部２と、信号処理部３とを備える。

受信部１は、共振コイル４及び共振コンデンサ５からなる共振回路で構成され、非接触ＩＣカード１０のＲ／Ｗ（不図示）から送信される信号をこの共振回路で受信する。なお、図１では、共振コイル４をそのインダクタンス成分４ａ（Ｌ）と抵抗成分４ｂ（ｒ：数オーム程度）とに分けて図示している。

共振コンデンサ５は、容量Ｃｏのコンデンサ５ａと、受信信号の電圧値（受信電圧値）に応じて容量Ｃｖが変化する可変容量コンデンサ５ｂ（可変容量素子）とが並列に接続されている。すなわち、本実施形態では、従来のアンテナ（共振コイル４とコンデンサ５ａとからなる共振回路）に可変容量コンデンサ５ｂを並列接続した構成となる。なお、可変容量コンデンサ５ｂについては後で詳述する。

コンデンサ５ａは、従来のアンテナと同様に、常誘電体材料で形成されたコンデンサを用いる。常誘電体材料で形成されたコンデンサ５ａは、比誘電率が低く、入力電圧の種類（交流または直流）及びその電圧値に関係なくその容量はほとんど変化しない。それゆえ、コンデンサ５ａは、入力信号に対して非常に安定した特性を有する。従来のアンテナでは、アンテナの共振周波数がずれないようにするために、このような入力信号に対して安定性の高い常誘電体材料で形成されたコンデンサを用いる。

なお、実際の回路上では、共振コイル４のインダクタンス成分Ｌのばらつきや信号処理部３内の集積回路の入力端子の寄生容量などによる受信部１の容量変動（数ｐＦ程度）が存在し、その変動量は非接触ＩＣカード１０毎に異なる。それゆえ、本実施形態では、これらの影響を抑制（補正）するために、コンデンサ５ａの電極パターンをトリミングして容量Ｃｏを適宜調整している。

整流部２は、整流用ダイオード６と整流用コンデンサ７とからなる半波整流回路で構成され、受信部１で受信した交流電圧を直流電圧に整流して出力する。

信号処理部３は、主に半導体素子の集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）で構成され、受信部１で受信した交流信号を復調する。信号処理部３内のＬＳＩは整流部２から供給される直流電圧により駆動される。なお、ＬＳＩとしては、従来の非接触ＩＣカードと同様（例えば、図１２参照）のものを用いることができる。

［２．可変容量コンデンサの構成］
次に、可変容量コンデンサ５ｂについて、図２〜４を参照しながら説明する。図２は、可変容量コンデンサ５ｂの概略構成図である。

可変容量コンデンサ５ｂは、強誘電体材料で形成された強誘電体層５１と、強誘電体層５１を挟み込むように強誘電体層５１上に設けられた２つの電極５２及び５３とで構成される。

電極５２及び５３は、それぞれリード線５４及び５５を介して整流部２及び信号処理部３に接続されている。電極５２及び５３は、ニッケル等の金属材料で形成される。なお、電極５２及び５３をニッケルで形成する場合には、ニッケルメッキ法等を用いて形成する。

強誘電体層５１は、強誘電体材料に希土類金属等を添加した材料を焼成して作製する。なお、この際、強誘電体層５１は、後述するように、必要とする容量の交流電圧依存特性に応じて、強誘電体層５１の形成条件や膜厚等を適宜調整する。

強誘電体層５１に用い得る強誘電体材料としては、例えば、イオン分極を生じる強誘電体材料を用いることができる。イオン分極を生じる強誘電体材料は、イオン結晶材料からなり、プラスのイオンとマイナスのイオンの原子が変位することで電気的に分極する強誘電体材料である。このイオン分極を生じる強誘電体材料は、一般に、所定の２つの元素をＡ及びＢとすると、化学式ＡＢＯ_３（Ｏは酸素元素）で表され、ペロブスカイト構造を有する。このような強誘電材料としては、例えば、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）等が挙げられる。また、強誘電体層５１に用い得る強誘電体材料として、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）にジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）を混ぜ合わせたＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いてもよい。

強誘電体層５１を形成する際、上述のような強誘電体材料に希土類金属などの常誘電体材料を添加して焼成すると、強誘電体層５１は、コアシェル構造と呼ばれる構造を有する粒子（粒径が約１μｍ以下）の集合体として形成される。図３に、強誘電体層５１内に形成される粒子（図３の例では粒径約０．３μｍ）のコアシェル構造を示す。なお、図３は、強誘電体材料としてＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）を用いた場合の粒子構造である。強誘電体層５１内に形成される粒子は、強誘電体からなるコア部５６（図３右図中の筋状の部分）と、コア部５６の周囲を取り囲むように生成された常誘電体からなるシェル（殻）部５７とで構成される。

図４に、コアシェル構造の粒子の集合体として形成された強誘電体層５１を備える可変容量コンデンサ５ｂの容量の交流電圧依存性（以下、この特性を容量特性ともいう）を示す。図４中の横軸は共振コイル４の両端に印加される交流電圧の実効値Ｖｒｍｓである。また、縦軸は、周波数１ｋＨｚ、電圧値１Ｖの交流電圧が印加された際の可変容量コンデンサ５ｂの容量を基準とした場合の容量比である。

また、図４中には、参考のため、非接触ＩＣカードで受信される受信信号（交流信号）の電圧値（交流電圧値）の範囲の一例も示した。例えば、図４に示すように、通常の使用電圧範囲が１．４〜１０Ｖ程度である非接触ＩＣカードをそのＲ／Ｗに近づけると、非接触ＩＣカードで受信される交流電圧の電圧値（実効値）が１５Ｖを越え、最大で３０Ｖ程度に達する場合がある。このような場合には、非接触ＩＣカード内のＬＳＩが破壊される可能性が高い。

可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖは、図４に示すように、印加される交流電圧が小さい場合には、電圧値の上昇とともに容量も大きくなる。そして、ある電圧値（ピーク電圧値）で可変容量コンデンサ５ｂの容量は最大となり、その後は電圧値の上昇とともに容量が減少する。なお、以下では、電圧値の上昇とともに容量が減少する領域を容量低下領域という。

図４に示した可変容量コンデンサ５ｂの容量特性は、コアシェル構造のシェル部の厚さを変化させることにより調整することができる。このシェルの厚さは、強誘電体材料の組成、焼結条件、添加元素の種類及びその添加量等によりにより調整することができる。また、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性は、強誘電体層５１の厚さによっても調整することができる。例えば、強誘電体層５１の厚さを薄くすることにより、可変容量コンデンサ５ｂに加わる交流電圧を小さくすることができる。上述のように、強誘電体層５１の形成条件や膜厚を調整することにより、可変容量コンデンサ５ｂの容量が最大となるピーク電圧値や、容量低下領域における容量の変化率（特性の傾き）等を適宜調整することができる。

なお、本実施形態では、可変容量コンデンサ５ｂの強誘電体層５１の形成材料としては、イオン分極を生じる強誘電体材料を用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。図４に示すように、容量特性において、交流電圧の上昇に伴い容量が減少する領域（容量低下領域）を有する強誘電体材料であれば、任意の材料を用いることができる。また、強誘電体層５１の形成材料として、異方性を有する強誘電体材料を用いてもよい。

また、強誘電体層５１の形成材料として、電子分極を生じる強誘電体材料を用いてもよい。この強誘電体材料では、プラスの電荷に偏った部分と、マイナスの電荷に偏った部分に分かれて電気双極子モーメントが生じ、分極が生じる。そのような材料として、従来、Ｆｅ^２＋の電荷面と、Ｆｅ^３＋の電荷面の形成により、分極を形成して強誘電体的特性を示す希土類鉄酸化物が報告されている。この系においては、希土類元素をＲＥとし、鉄族元素をＴＭとしたときに、分子式（ＲＥ）・（ＴＭ）_２・Ｏ_４（Ｏ：酸素元素）で表される材料が高誘電率を有することが報告されている。なお、希土類元素としては、例えばＹ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ（特にＹと重希土類元素）が挙げられ、鉄族元素としては、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ（特にＦｅ）が挙げられる。また、（ＲＥ）・（ＴＭ）_２・Ｏ_４としては、例えばＥｒＦｅ_２Ｏ_４、ＬｕＦｅ_２Ｏ_４、ＹＦｅ_２Ｏ_４が挙げられる。

［３．可変容量コンデンサの設計概要］
次に、本実施形態の可変容量コンデンサ５ｂの容量特性の設計概要を図５及び６を参照しながら説明する。図５（ａ）は、可変容量コンデンサ５ｂ周辺の回路構成図であり、図５（ｂ）は、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖの交流電圧依存性（容量特性）を示した図である。

本実施形態では、まず、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応する受信信号の電圧値（ピーク電圧値）が、信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値程度となるように、強誘電体層５１の形成条件や膜厚を調整する。さらに、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性の容量低下領域の傾きが大きくなるように強誘電体層５１の形成条件や膜厚を調整する。

このように調整すると、ＬＳＩの最小動作電圧から受信信号の最大電圧の範囲（実際の受信電圧範囲）において、図５（ｂ）の特性６０のように、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖが受信信号の交流電圧に対して直線的に単調減少するような容量特性が得られる。

なお、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応するピーク電圧値を、信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値より小さくてもよい。図４から明らかなように、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応するピーク電圧値が信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値以下であれば、ＬＳＩの最小動作電圧から受信信号の最大電圧までの範囲が容量低下領域になる。それゆえ、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応するピーク電圧値を信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値より小さくしても、図５（ｂ）の特性６０と同様の容量特性が得られる。

また、本実施形態では、最大電圧値Ｖｍａｘを有する信号が受信された場合に、受信信号の周波数における受信部１での受信レベル（出力電圧値）がＶＬｍａｘ以下となるように、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性を調整する。なお、最大電圧値Ｖｍａｘを有する信号が受信された場合に、受信部１での受信レベルをＶＬｍａｘ以下とするための設計条件については、後述の具体例において詳述する。

図６に、上記設計概要に基づいて容量特性が調整された可変容量コンデンサ５ｂを備える受信部１の動作を示す。図６（ａ）は、周波数ｆ_１でＬＳＩの最小動作電圧値ＶＬｍｉｎと同等の電圧値を有する受信信号を受信した際の動作である。また、図６（ｂ）は、周波数ｆ_１で最大電圧値Ｖｍａｘ（＞ＬＳＩの最大動作電圧ＶＬｍａｘ）の受信信号を受信した際の動作である。

上述のように、本実施形態では、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応するピーク電圧値を、信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値とほぼ同じになるように可変容量コンデンサ５ａの容量特性が調整されている。それゆえ、周波数ｆ_１でＬＳＩの最小動作電圧レベルＶＬｍｉｎの受信信号を受信した際には、共振コンデンサ５と共振コイル４とからなる共振回路の共振周波数が受信信号の周波数ｆ_１と略同じになる。その結果、この場合には、図６（ａ）に示すように、受信信号と同レベルの電圧値を有する交流信号Ｖｏｕｔが受信部１から出力される。なお、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応するピーク電圧値を、信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値より小さくなるように調整した場合には、受信部１から出力される交流信号の電圧値はＬＳＩの最小動作電圧値より小さくなる。

一方、周波数ｆ_１で最大電圧値Ｖｍａｘ（＞ＬＳＩの最大動作電圧ＶＬｍａｘ）の受信信号を受信した際には、上述のように、ＬＳＩの最大動作電圧値ＶＬｍａｘ以下の交流信号が受信部１から出力されるように、強誘電体層５１の容量特性が調整されている。それゆえ、この場合には、図６（ｂ）に示すように、受信部１からＬＳＩの最大動作電圧値ＶＬｍａｘ以下の電圧値を有する交流信号Ｖｏｕｔが出力される。

本実施形態では、上述のように、受信部１の出力信号の電圧値（受信信号の周波数における受信部１の受信レベル）が信号処理部３のＬＳＩの動作の許容範囲に収まるように可変容量コンデンサ５ｂの容量特性が調整されている。したがって、非接触ＩＣカード１０がＲ／Ｗに近づきすぎて、過大な電圧値の信号を受信しても、信号処理部３のＬＳＩが破壊されることが無くなる。

また、本実施形態では、非接触ＩＣカード１０の保護回路として、受信信号の電圧値に応じて容量が変化する可変容量コンデンサ５ｂを用いる。それゆえ、図１１（ａ）及び図１２の従来例のように、制御電圧（直流電圧）を用いて容量を変化させる必要がなくなり、回路構成が簡易になる。また、バイアス除去用コンデンサや、制御電圧を生成するための付加回路を設ける必要がないので、より低コストで非接触ＩＣカードを作製することができる。また、省スペース（装置の小型化）を図ることもできる。

また、図１１（ａ）及び図１２の従来例に示す回路構成では、可変容量素子の端子が４端子化されているものの、制御電圧源から流れる直流バイアス電流と、交流信号とが干渉してしまう。それに対して、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、制御電圧源を用いないので、上述のような従来の問題を解消することができる。

さらに、本実施形態では、可変容量コンデンサ５ｂを強誘電体材料で形成しているので、電圧に対する耐性も向上させることができる。
なお、本実施形態では、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性において、受信信号の電圧値の上昇とともに容量が低下する容量低下領域、すなわち、容量特性のピーク電圧値以上の領域を利用する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。容量特性のピーク電圧値を適宜調整して（例えば、ピーク電圧値を高めに設定して）、受信信号の電圧変化範囲がピーク電圧値以下となるように可変容量コンデンサ５ｂを設計してもよい。この場合、受信電圧値の上昇とともに可変容量コンデンサ５ｂの容量が単調増加し、これにより、共振回路の共振周波数が受信信号の周波数より低域側にシフトして、受信信号の周波数における電圧値を抑制することができる。

本実施形態では、まず、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量に対応する受信信号の電圧値（ピーク電圧値）が、信号処理部３のＬＳＩの最小動作電圧値程度となるように、強誘電体層５１の形成条件や膜厚を調整する。さらに、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性の容量低下領域の傾きが大きくなるように強誘電体層５１の形成条件や膜厚を調整する。

［４．具体例］
次に、本実施形態の具体例を説明する。具体例では、強誘電体層５１の形成材料として、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）を用いた例を説明する。

図７に、受信部１の合成容量が変化した際の受信部１のインピーダンスの絶対値｜Ｚ｜の周波数特性（以下、この特性をデチューン特性ともいう）を示す。図７の横軸は、受信部１の合成容量が７０ｐＦである場合の共振周波数（以下、基準周波数ともいう）からの周波数差であり、縦軸は受信部１のインピーダンス｜Ｚ｜である。なお、具体例では、受信部１の合成容量が７０ｐＦである場合の受信部１の共振周波数（基準周波数）が、受信信号の周波数と略同じであるものとする。

図７には、受信部１の共振コンデンサ５の合成容量Ｃ（＝Ｃｏ＋Ｃｖ）が７０ｐＦ（丸印の特性）、６０ｐＦ（四角印の特性）及び５０ｐＦ（三角印の特性）である場合の特性を示した。なお、合成容量Ｃの変化量は、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖの変化によるものである。具体例では、コンデンサ５ａの容量Ｃｏは約２０〜３０ｐＦである。また、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖの変化幅は、コンデンサ５ａの容量Ｃｏに応じて適宜変更する。

図７のデチューン特性から明らかなように、合成容量Ｃが小さくなると、すなわち、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖが小さくなると、受信部１の共振周波数（インピーダンス｜Ｚ｜が最大となる周波数）は、高域側にシフトする。この結果、例えば、合成容量Ｃが７０ｐＦから６０ｐＦに減少すると、基準周波数（受信信号の周波数）におけるインピーダンス｜Ｚ｜は、シフトする前の値の約０．５５倍の値に減少する（図７中の太線矢印）。すなわち、受信部１の受信電圧レベルはインピーダンス｜Ｚ｜に比例するので、合成容量Ｃが７０ｐＦから６０ｐＦに減少すると、受信部１の受信電圧レベルは約０．５５倍に抑制（圧縮）される。

また、図８に、基準周波数（受信信号の周波数）に対する受信部１の共振周波数の相対値（共振周波数／基準周波数）と、基準周波数における受信部１の受信電圧レベル（出力電圧値）との関係を示す。なお、以下では、基準周波数（受信信号の周波数）に対する受信部１の共振周波数の相対値をデチューン値Δｆｄ（またはデチューン周波数）という。このデチューン値Δｆｄは、受信部１の共振周波数の受信信号の周波数からのシフト量に対応するパラメータである。

図８は図７に対応する図面であり、図８の横軸は、デチューン値Δｆｄであり、縦軸は、基準電圧に対する受信部１の受信電圧値の相対値（電圧圧縮比）である。なお、図８の縦軸の基準電圧は、合成容量Ｃが７０ｐＦである場合の受信部１の受信電圧値（実効値）である。また、図８中の丸印が受信部１の合成容量を７０ｐＦとした場合のデータ点であり、四角印が合成容量を６０ｐＦとした場合のデータ点であり、そして、三角印が合成容量を５０ｐＦとした場合のデータ点である。

図８から明らかなように、受信部１のデチューン値Δｆｄが大きくなると（合成容量Ｃが小さくなると）、受信部１での基準周波数における受信電圧値が小さくなる。すなわち、受信部１のデチューン値Δｆｄが大きくなると、電圧圧縮比が小さくなる（電圧値の圧縮度合いが大きくなる）。

ここで、具体例における可変容量コンデンサ５ｂの設計例を、上述した図８の特性及び図９の特性を用いて説明する。図９は、受信部１における受信信号の電圧値の圧縮特性である。図９の横軸は、受信信号の電圧値（実効値）であり、縦軸は、受信信号の周波数における受信部１での受信電圧値（実効値）である。

図９中の一点鎖線の特性は、保護回路を備えない場合の特性であり、実線は、具体例（保護回路を備える場合）の特性である。また、図９には、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性（破線の特性）も合わせて示した。なお、具体例では、受信信号の最大電圧値Ｖｍａｘを１０．６（Ｖｒｍｓ）とし、信号処理部３のＬＳＩが動作し且つ破壊されない許容電圧範囲（ＶＬｍｉｎ〜ＶＬｍａｘ）を１．４〜５．３（Ｖｒｍｓ）とした。

具体例では、可変容量コンデンサ５ｂの最大容量（図９中のＣｖ１）に対応するピーク電圧値が、信号処理部３の最小動作電圧値（ＶＬｍｉｎ＝１．４Ｖｒｍｓ）程度になるように設計した。これにより、受信信号の電圧値の変化範囲（ＶＬｍｉｎ〜Ｖｍａｘ）では、電圧値の上昇とともに、可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖ（共振コンデンサ５の合成容量Ｃ）が減少する容量特性が得られる（図９中の破線の特性）。

また、具体例では、受信部１に最大電圧値Ｖｍａｘの受信信号が入力された際に、受信部１での受信電圧レベルが信号処理部３の最大動作電圧ＶＬｍａｘと同程度となるように可変容量コンデンサ５ｂの容量特性を設計した。具体的には、次のようにして設計した。

最大電圧値Ｖｍａｘ（＝１０．６Ｖｒｍｓ）の受信信号が受信部１に入力された際に、その電圧値を、ＬＳＩの動作の最大電圧値ＶＬｍａｘ（＝５．３Ｖｒｍｓ）に低減するには、受信部１における電圧圧縮比を約０．５にする必要がある。この電圧圧縮比を得るには、図８から、受信部１でのデチューン値Δｆｄを約１．１０にしなければならない。

ここで、デチューン値Δｆｄが１となる場合（受信部１の共振周波数が受信信号の周波数と同じになる場合）の共振コンデンサ５の合成容量ＣをＣ_１とし、デチューン値Δｆｄが約１．１０となる場合の共振コンデンサ５の合成容量ＣをＣ_２とする。受信部１の共振周波数は１／Ｃ^１／２に比例するので、Ｃ_１とＣ_２との間には、Ｃ_２＝Ｃ_１／１．１０^２という関係が得られる。それゆえ、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性をこの関係式が成立するように設計すると、最大電圧値（１０．６Ｖｒｍｓ）の受信信号が受信部１に入力された際には、その最大電圧値を受信部１でＬＳＩの動作の最大電圧値（５．３Ｖｒｍｓ）に圧縮することができる。

上述のように設計すると、図９中の実線の特性に示すように、ＬＳＩの最小動作電圧値ＶＬｍｉｎ（＝１．４Ｖｒｍｓ）の受信信号が入力された際には、受信部１の受信電圧値（出力電圧値）は１．４Ｖｒｍｓとなり、その電圧圧縮比は１となる。一方、最大電圧値Ｖｍａｘ（＝１０．６Ｖｒｍｓ）の受信信号が受信部１に入力された際に、受信部１で電圧値が１／２に圧縮され、受信部１の受信電圧値は５．３Ｖｒｍｓとなり、ＬＳＩの動作の最大電圧値ＶＬｍａｘと同じになる。

また、Ｃ_２＜Ｃ_１／１．１０^２という関係が成立するように共振コンデンサ５を設計すると、最大電圧値Ｖｍａｘの受信信号が受信部１に入力された際に、受信部１から出力される交流信号の電圧値はＬＳＩの動作の最大電圧値ＶＬｍａｘより小さくなる。すなわち、具体例では、Ｃ_２≦Ｃ_１／１．１０^２という関係が成立するように共振コンデンサ５を設計することにより、受信部１から出力される交流信号の電圧値が信号処理部３のＬＳＩの動作の許容範囲に収まり、ＬＳＩが破壊されることが無くなる。

なお、共振コンデンサ５の合成容量の上記関係式を一般化すると、Ｃ_２≦Ｃ_１／Δｆｄ^２となる。ここで、デチューン値ΔＦｄは、受信信号の最大電圧値Ｖｍａｘに対する信号処理部３の最大動作電圧値ＶＬｍａｘの相対値（ＶＬｍａｘ／Ｖｍａｘ：最低限必要とする電圧圧縮比）に対応する受信部１（共振回路）のデチューン値である。

また、実際に受信部１の共振コンデンサ５を設計する際には、電圧に対して容量変化しないコンデンサ５ａや、共振コイル４の容量及びＬＳＩの入力端子の寄生容量のバラツキ等の影響を考慮する必要がある。それゆえ、これらの影響を考慮して、ＬＳＩの動作の最小電圧値ＶＬｍｉｎの信号を受信した場合の可変容量コンデンサ５ｂの容量Ｃｖ１が、最大電圧値Ｖｍａｘの信号を受信した場合の容量Ｃｖ２の約４倍以上になるように容量特性を設計することが好ましい。

上記具体例では、可変容量コンデンサ５ｂの容量特性を設計する際に、その容量と対応付ける受信信号の電圧値として実効値を用いた例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、受信信号の電圧の最大値を用いてもよいし、受信信号の半周期当たりの平均値を用いてもよい。

［５．変形例］
上記実施形態では、電圧に対して容量がほぼ変化しないコンデンサ５ａと可変容量コンデンサ５ｂとを並列に接続して構成した共振コンデンサ５を備える受信部１（アンテナ）の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、共振コンデンサ５を可変容量コンデンサ５ｂのみで構成してもよいし、コンデンサ５ａと可変容量コンデンサ５ｂとを直列に接続して共振コンデンサ５を構成してもよい。

図１０（ａ）に、共振コンデンサ５を可変容量コンデンサ５ｂのみで構成した場合（変形例１）の受信部１の構成を示す。また、図１０（ｂ）に、コンデンサ５ａと、可変容量コンデンサ５ｂとを直列に接続して共振コンデンサ５を構成した場合（変形例２）の受信部１の構成を示す。いずれの場合においても、受信部１の共振コンデンサ５の合成容量Ｃ（変形例１の場合はＣ＝Ｃｖとなる）を上記実施形態で説明した設計概要と同様にして調整することにより、上記実施形態と同様の効果が得られる。

上記実施形態では、非接触受信装置の一例として、非接触ＩＣカードを例にとり説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、共振コイル及び共振コンデンサからなる共振回路を用いて非接触で情報及び／または電力を受信する任意の装置に適用可能であり、同様の効果が得られる。例えば、携帯電話等や、ワイアレス電力伝送装置にも適用可能である。なお、ワイアレス電力伝送装置では、電力を非接触で伝送する装置であるので、非接触ＩＣカードのように受信信号を復調する信号処理部を備えなくてもよい。

本発明に係る非接触受信装置例のブロック構成図である。 可変容量コンデンサの概略構成図である。 強誘電体層の断面画像である。 交流電圧に対する可変容量コンデンサの容量の変化例を示した図である。 図５（ａ）は、可変容量コンデンサ付近の回路構成図であり、図５（ｂ）は、交流電圧に対する可変容量コンデンサの容量変化を示す図である。 図６（ａ）は、ＬＳＩの最小動作電圧値の受信信号を受信した際の動作を示した図であり、図６（ｂ）は、受信最大電圧値の受信信号を受信した際の動作を示した図である。 具体例のデチューン特性である。 具体例におけるデチューン周波数と電圧圧縮比との関係を示す図である。 具体例の可変容量コンデンサの設計概要を説明するための図である。 図１０（ａ）は、変形例１の受信部の回路構成図であり、図１０（ｂ）は、変形例２の受信部の回路構成図である。 図１１（ａ）は、従来の可変容量コンデンサ付近の回路構成図であり、図１１（ｂ）は、制御電圧に対する従来の可変容量コンデンサの容量変化を示す図である。 従来の非接触ＩＣカードのブロック構成図である。 可変容量素子による受信信号の電圧レベル抑制の原理図である。 図１４（ａ）は、従来の可変容量素子の概略斜視図であり、図１４（ｂ）は、従来の可変容量素子の断面構成図である。

符号の説明

１…受信部、２…整流部、３…信号処理部、４…共振コイル、５…共振コンデンサ、５ａ…コンデンサ、５ｂ…可変容量コンデンサ（可変容量素子）、６…整流用ダイオード、７…整流用コンデンサ、１０…非接触ＩＣカード（非接触受信装置）、５１…強誘電体層、５２，５３…電極、５６…コア、５７…シェル

Claims (7)

1. 強誘電体材料で形成され、外部から入力される所定周波数の受信信号の印加により容量が変化し、且つ、該容量の変化量が該受信信号の受信電圧値に応じて変化する可変容量素子を含む共振コンデンサと、該共振コンデンサに接続された共振コイルとからなる共振回路を有する受信部と、
   前記受信部から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
   を備える非接触受信装置。
2. さらに、前記整流部から出力される前記直流電圧により駆動され、受信信号を復調する信号処理部を備える
   請求項１に記載の非接触受信装置。
3. 前記可変容量素子が、前記受信電圧値の変化範囲内の所定の電圧範囲で、前記受信電圧値が高くなると前記可変容量素子の容量が小さくなるまたは大きくなる特性を有する
   請求項１または２に記載の非接触受信装置。
4. 前記可変容量素子の最大容量に対応する前記受信電圧値が、前記信号処理部の最小の動作電圧値以下であり、前記可変容量素子が、前記受信電圧値の変化範囲内の所定の電圧範囲で、前記受信電圧値が高くなると前記可変容量素子の容量が小さくなる特性を有する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の非接触受信装置。
5. 前記可変容量素子が、前記受信電圧値の変化範囲内の所定の電圧範囲で、前記受信電圧値が高くなると前記可変容量素子の容量が小さくなる特性を有し、前記共振回路の共振周波数が前記所定周波数と略同一になる場合の前記共振コンデンサの容量をＣ_１とし、最大の前記受信電圧値を受信した際の前記共振コンデンサの容量をＣ_２とし、前記最大の受信電圧値に対する前記信号処理部の最大の動作電圧値の相対値に対応する前記共振回路のデチューン値をΔｆｄとしたとき、
   Ｃ_２≦Ｃ_１／（Δｆｄ）^２
   の関係が成立する
   請求項２〜４のいずれか一項に記載の非接触受信装置。
6. 前記共振コンデンサが、前記可変容量素子のみで構成される
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の非接触受信装置。
7. 前記強誘電体材料が、イオン分極を生じる強誘電体材料である
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の非接触受信装置。